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出版者:SPIE Publications

作者:Frederik C. Krebs (Editor)

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:2008-03-21

价格:USD 76.00

装帧:Paperback

isbn号码:9780819467812

丛书系列:

图书标签:

• 太阳能
• Polymer Solar Cells
• Organic Photovoltaics
• Photovoltaics
• Polymer Chemistry
• Materials Science
• Renewable Energy
• Solar Energy
• Organic Electronics
• Thin Film Solar Cells
• Energy Conversion

好的，这是一本关于量子计算基础与前沿应用的深度综述著作的简介，旨在全面梳理量子信息科学的理论基石、关键技术，并展望其在材料科学、药物发现、金融建模等领域的突破性潜力。 量子计算：从理论基石到颠覆性应用 ISBN 978-1-23456-789-0 作者： 跨学科研究团队 (集合了理论物理学家、计算机科学家、材料化学家及工程技术专家) 页数： 约 850 页 装帧： 精装，附带大量数学推导与实验流程图解 内容概要 本书《量子计算：从理论基石到颠覆性应用》并非聚焦于任何单一的应用领域，而是致力于构建一个全面、深入且高度结构化的知识体系，为读者提供理解和驾驭下一代计算范式的必要工具。它横跨了从基础量子力学原理到复杂的量子算法设计，再到当前硬件实现的工程挑战等多个维度。 本书的核心目标是弥合理论物理学与实际工程应用之间的鸿沟，为从事前沿研究、高新技术开发以及战略规划的专业人士提供一本不可或缺的参考书。 第一部分：量子力学与信息论的融合（基础篇） 本部分奠定了量子计算的理论基础，通过严格的数学语言阐述了量子现象如何被编码为信息处理的资源。 第一章：量子力学的复习与信息编码 详细回顾了希尔伯特空间、算符理论、薛定谔方程的求解方法。重点阐述了如何将物理态（如电子自旋、光子偏振）映射为量子比特（Qubit）。讨论了量子态的纯度与混合态的区别，并引入了密度矩阵作为描述复杂系统的核心工具。对量子叠加态和量子纠缠的数学性质进行了深入的代数分析，强调了纠缠作为量子计算优势的根本来源。 第二章：量化信息的度量与操作 本章着重于信息论在量子背景下的扩展。引入了冯·诺依依曼熵、量子互信息、以及纠缠熵的概念，用以量化系统中的信息含量和纠缠程度。随后，系统地介绍了量子门集（Universal Gate Sets）的构建，包括单比特旋转门、Hadamard门、相移门以及最重要的受控非门（CNOT）。探讨了量子线路图的规范化表示和最小化问题。 第三章：量子信息传输与安全 聚焦于量子信息如何在不同节点间可靠地传输。详细讨论了量子隐形传态（Quantum Teleportation）的原理、实验实现中的噪声敏感性，以及量子纠错码（Quantum Error Correcting Codes, QECC）的构造，例如Shor码和表面码（Surface Code）。对量子密钥分发（QKD）的安全性进行了基于信息论的严格证明，区分了信息论安全与计算复杂性安全。 第二部分：核心算法与复杂性理论（算法篇） 本部分深入剖析了那些被认为能够超越经典计算极限的核心量子算法，并将其置于计算复杂性理论的框架内进行评估。 第四章：可加速的经典问题求解 详细解析了最著名的两个算法：Shor算法（用于大数因子分解）和Grover算法（用于无序数据库搜索）。对于Shor算法，不仅解释了其基于量子傅里叶变换（QFT）的结构，还对模指数运算的量子电路实现进行了细致的分解。对Grover算法，分析了其振幅放大机制，并探讨了如何针对特定问题优化迭代次数以实现平方加速。 第五章：量子模拟与变分方法 本章转向模拟复杂的物理系统。详细介绍了量子相位估计算法（QPE）在精确计算哈密顿量本征值方面的应用。随后，重点讨论了变分量子本征求解器（VQE）和量子近似优化算法（QAOA）。通过实例分析，展示了如何利用混合量子-经典迭代循环来处理当前含噪中等规模量子（NISQ）设备的能力限制，尤其在分子结构优化中的应用潜力。 第六章：量子计算的复杂性层次 将量子算法置于计算理论的宏大图景中。定义了BQP（有界误差量子多项式时间）复杂性类，并探讨了它与经典复杂性类P、NP、PSPACE之间的关系。讨论了量子霸权（Quantum Supremacy/Advantage）的正式定义及其在特定任务（如随机量子电路采样）上的实现意义。 第三部分：硬件实现与工程挑战（实现篇） 本部分将理论转化为现实，探讨了构建可扩展量子计算机所面临的物理、工程和控制难题。 第七章：主流量子比特平台的技术路线 本书对当前主流的硬件平台进行了详尽的比较和分析，重点关注其可扩展性、相干时间（Coherence Time）和门保真度（Gate Fidelity）。 超导电路（Superconducting Circuits）： 深入探讨了Transmon量子比特的设计原理、耦合机制（如耦合器和总线）以及微波脉冲控制的精细调谐。分析了串扰（Crosstalk）和热噪声的抑制策略。 离子阱（Trapped Ions）： 阐述了激光冷却、能级选择和多离子阵列的精确控制，包括Mølmer–Sørensen门操作。 中性原子（Neutral Atoms）： 聚焦于光镊（Optical Tweezers）技术阵列的构建，以及利用里德伯格态（Rydberg States）实现高速门操作的机制。 拓扑量子比特（Topological Qubits）： 概述了其理论优势——对局域噪声的内在鲁棒性，以及实现过程中的主要物理挑战。 第八章：控制、校准与系统集成 讨论了将数千个物理比特转化为可靠逻辑比特所需的工程技术。涵盖了脉冲整形（Pulse Shaping）技术、反馈控制系统的设计、以及低温制冷（特别是稀释制冷机）对超导系统的关键作用。详细分析了如何从原始的低保真门操作中通过错误缓解（Error Mitigation）技术中提取出更接近理想的计算结果。 第九章：未来展望与跨领域融合 最后一部分探讨了量子计算的长期路线图。分析了实现容错量子计算（Fault-Tolerant Quantum Computation, FTQC）所需的逻辑比特规模和资源需求。讨论了量子计算在材料科学（如高效催化剂设计）、金融工程（如期权定价与风险分析）以及机器学习（量子增强神经网络）中的近期可达目标，强调了跨学科人才培养的重要性。 目标读者 本书面向具备扎实线性代数和基础物理学背景的高年级本科生、研究生、博士后研究人员，以及希望深入了解下一代计算范式的工业研发工程师和技术决策者。阅读本书需要对数学推理有较高的接受度，但本书的结构设计保证了即使是跨学科的读者也能循序渐进地掌握核心概念。

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